高能物質的高功率密度能量輸出特性

宋 浦，肖 川，楊 磊，葛忠學

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

作為傳統含能材料研究領域的延伸，高能物質一般是指單位質量含有高潛在化學能量的物質，通過原子核外的電子轉移來釋放化學能，其釋能方式為燃燒或爆炸，能量釋放功率密度超過1MW/cm3。高能物質的主要特點是自身反應放熱，同時產生大量氣體。放熱反應促使構成高能物質的分子結構發生變化，重新進行化學組合，同時產生高溫燃氣，對周圍產生作用。急劇反應時發生爆轟(能量釋放速率大于10-6s量級)，同時伴有沖擊波高壓產生破壞；在燃燒(能量釋放速率為10-3s～10-6s量級)情況下，則產生大量燃氣獲得推力。

隨著燃燒、爆炸學科的研究深入，所涉及的材料類型越來越廣泛，遠遠超出了推進劑、發射藥、單質/混合炸藥等經典火炸藥材料的認識范疇[3]。因此本文基于近年來燃燒、爆炸等劇烈反應所涉及的高能物質研究，通過分析高功率密度的能量釋放特征，對高能物質的能量特性進行總結，提出有效利用高功率密度能量的技術途徑。

1 高能物質的分類

從含能材料學科的發展趨勢來看，以燃燒、爆炸作為釋能方式的高能物質的分類范疇越來越細致，覆蓋領域越來越廣[4-5]。高能物質主要包括含能化合物、復合含能材料、高能儲氫材料、亞穩態分子間復合材料以及高張力鍵能材料等類型[3-9]。

含能化合物是指無需外界供氧，能獨立進行化學反應、瞬間一次性放出大量熱和氣體的單一化合物材料。主要包括單質高能量密度化合物、高熱焓化合物、強氧化劑等。

復合含能材料是指由含能化合物為基礎或氧化劑、還原劑以及功能助劑組成，能獨立進行氧化還原反應、放出大量熱和氣體的混合物體系。主要包括混合體系的火炸藥、高能混合燃料、高效換能材料(光電轉換、光電顯示等)、含能功能材料等。

儲氫材料是指利用物理或化學作用，可將能量密度高的氫可逆儲存并釋放的固體材料。分為物理吸附儲氫材料和化學吸附儲氫材料，主要包括金屬氫、固態氫、碳納米管儲氫材料等。

亞穩態分子間復合材料是指由兩種或多種非炸藥類固體物質組成、以納米級(分子級)的緊密混合為基礎的亞穩態材料。其在化學動力學上穩定，但在外界刺激的作用下引發劇烈的化學反應，釋放出巨大熱能，具有高能、高反應速率、高安全性及高密度等特性。主要包括超級鋁熱劑、多孔硅、活性納米材料等。

鑒于不同類型的高能物質主要以燃燒或爆炸方式釋放化學能，因此上述分類會有某些程度的材料形態或性能的相互覆蓋和交叉，應用時應根據其主要性能來劃分范疇。

2 典型高能物質的爆炸釋能特征

炸藥作為重要的高能物質類型，是在一定外界刺激下，能夠發生劇烈化學反應甚至爆炸的含能材料或反應體系，主要特點是在一定能量作用下，能夠發生快速化學反應，生成大量的熱和氣體產物[10]。由于爆炸反應的高溫(數千K)、高壓(數十GPa)、高速(微秒量級)等過程特點，如何將炸藥的化學能有效釋放并利用，長期以來既是化學、材料學、物理學、力學等學科的交叉融合熱點，也是工程實踐的難點[11-13]，目前主要的技術途徑是尋求合成更高能量的高能物質、提高高能物質的裝填質量等。從TNT誕生至今，現代高能物質的發展已經歷了150多年的歷程，形成了具有不同能量特征的四代單質高能炸藥和三代混合體系炸藥。TNT(梯恩梯，三硝基甲苯)是第一代的典型代表；RDX(黑索今，環三亞甲基三硝胺)、HMX(奧克托今，環四亞甲基四硝胺)是第二代的典型代表；CL-20(六硝基六氮雜異伍茲烷)和DNTF(二硝基呋咱基氧化呋咱)是第三代的典型代表；新一代的典型是多氮、全氮等氮簇物質，其主要性能見表1[3-9]。

表1 4代典型高能物質的能量對比Table 1 Energy comparison of four types high-energy matters

注：ρ為密度；D為爆速；★表示所列數據為理論計算值。

高能物質具有的潛在化學能，需在一定條件下才可能釋放出來，這些條件實質上是對高能物質設置的可標度，以保證達到所需能量的釋放狀態[14]。因此，能量釋放形式確定了系統的能量狀態，不同能量釋放形式的主要差別表現在沿傳播方向的能量傳遞，特殊條件下可以獲得巨大的能量釋放功率。因此，本文從爆炸作用的時間和空間維度出發，通過能量有效釋放的角度進行分析。

3 炸藥的高功率密度能量輸出特性

高能炸藥引發劇烈反應后，自身化學能轉化為爆轟產物內能的變化、對外界作功的動能和勢能改變等。能量輸出參量包括沖擊波、熱膨脹、機械作功、聲/光/電/磁等。在此過程中引入物理學的通量概念[15-16]：

(1)

式中：Q代表任意物理量，上式指物理量Q在∑面上的輸運量，表示單位時間單位面積內某物理量的流通量，稱之為物理量的通量。

通常用于計算的通量公式為：

(2)

式中：ΔQ為物理量Q在單位時間內的增量；A為面積。

由通量的物理定義可知，任意物理量的通量輸出均與時間和空間的特性有關，炸藥類高能物質的能量輸出特性也與此類似。當炸藥密度ρ0一定時，其基本參數爆速、爆熱、爆容、爆壓、爆溫和炸藥裝藥的爆炸總能量就已確定。通過能量在時間與空間的分布輸出特性，利用特征尺寸、作用時間等因素來改善提高爆炸能量的輸出效果，重點考慮功率及其通量輸出。

若選定某型炸藥，已知炸藥質量m、密度ρ0，工程常用類型的裝藥形狀如圖1所示，3種典型炸藥裝藥的主要特征尺寸見表2。

表2 典型炸藥裝藥的特征尺寸Table 2 Characteristic dimensions of typical charges

注：V為裝藥體積；S為裝藥表面積；r為裝藥半徑；L/d為裝藥長徑比；ρ0為裝藥密度。

取炸藥裝藥質量m=100kg、ρ0=1800kg/m3，分析爆炸能量輸出與作用時間及空間特征尺寸的定量關系。

(1)爆炸能量輸出與作用時間的關系

利用前述工況計算可得，典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性與時間參量的關系見表3。

表3 典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性Table 3 Explosion energy output characteristics of typical explosive charges

注：t為爆炸作用時間；P為爆炸輸出功率；D為炸藥爆速；Qv為炸藥爆熱。

由表3可見，一定質量的炸藥在裝藥不同的情況下，爆炸輸出功率與爆炸作用時間密切相關，可能產生數量級的巨大差異。

(2)爆炸能量輸出與空間特征尺寸的關系

同樣利用前述工況計算可得，典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性與空間參量的關系見表4。

表4 典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性Table 4 Explosion energy output characteristics of typical explosive charges

注：φE為能量通量，φP為功率通量。

由表4可見，一定質量的炸藥在裝藥不同的情況下，爆炸輸出的能量通量和功率通量與裝藥的特征尺寸密切相關，將產生數量級的差異。針對高能物質的高密度能量可控釋放和高效轉換，目前最有效的技術途徑就是設計裝藥結構和起爆傳爆序列，從化學、物理、力學的角度出發，控制爆炸能量的時空分布，有效地控制和轉化所需的功率輸出。

4 結 論

(1)以燃燒、爆炸為主要方式釋放化學能的高能物質可以分為含能化合物、復合含能材料、高能儲氫材料、亞穩態分子間復合材料以及高張力鍵能材料等類型。

(2)優化高能物質的裝填結構和能量激發序列設計是可控釋放和高效轉換高能物質潛在化學能的有效技術途徑。相同質量的炸藥爆炸輸出功率差別能夠達到1～4個數量級，能量密度差別可達1～2個數量級，能流密度差別可達1～6個數量級。

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